采用植筋技术新增混凝土次梁对主梁影响的有限元分析.docx

采用植筋技术新增混凝土次梁对主梁影响的有限元分析周宇飞【摘 要】为研究在主梁上采用植筋技术新增混凝土次梁对主梁的影响,本文运用Midas Fea对4组主梁梁高不同的采用植筋技术的次梁与主梁节点进行非线性有 限元分析,对各模型的裂缝发展、应变变化、破坏情况等进行了分析;结果表明采用 植筋技术新增混凝土次梁对主梁影响可能有两种:呈八字形的撕裂破坏和次梁底筋 附近主梁混凝土压渍破坏.针对不同模型破坏结果分析,本文提出了粘贴钢板箍加固 增设抗剪钢筋加强和粘贴钢板箍+梁底钢板加固的改进措施;并对改进后的次梁与主 梁节点进行非线性有限元分析,结果表明改进后主梁受力性能能得到明显的提高.对 采用植筋技术新增混凝土次梁对主梁影响的计算分析过程和经验总结,可供相关设 计人参考.期刊名称】《广东土木与建筑》年(卷),期】2017(024)006【总页数】7页(P20-26) 【关键词】 植筋技术;新增混凝土梁;撕裂破坏;压溃破坏;非线性有限元 【作 者】 周宇飞【作者单位】 深圳艺洲建筑工程设计有限公司 深圳518052 【正文语种】 中 文0 引言采用植筋技术的新增混凝土梁在建筑改扩建加固中以及新建建筑纠正设计或施工失 误中经常被采用到，在实际工程中被证实其为一种简便且行之有效的加固方法。

采 用植筋技术新增混凝土构件，一般焦点都在新旧混凝土界面上;众多学者对新旧混 凝土界面进行了广泛而深入地研究［1-3］，基本上是对采用植筋技术的新旧混凝 土界面力学性能研究，其基于多种理论假定，其中包括：⑴基材是坚实的、不会在 新旧混凝土界面破坏前破坏;⑵新旧界面钢筋锚固足够可以限制钢筋滑动［1-2］, 当界面出现错动时钢筋产生拉力可以加大界面的摩擦力，即钢筋决定粘结力的大小 实际工程中新增次梁纵筋植入深度一般取10d（d纵筋直径）且不小于100mm，远 小于规范要求的充分考虑钢筋抗拉强度的植筋深度，其原因：⑴新增次梁均按简支 梁设计，这样假定有3个原因：①按充分考虑抗拉强度的植入深度太深以致施工 难以做到;②因梁的抗扭能力有限能以限制次梁端部转动，故次梁两端刚接设计意 义不大;③梁抗扭承载力有限，若次梁两端刚接设计，极有可能导致主梁受剪扭而 脆性破坏⑵主梁宽度一般在200~400mm，满足不了充分考虑抗拉强度的植入 深度在主梁上采用植筋技术新增混凝土次梁存在以下容易被忽略的问题：⑴增设次梁后 在主梁腹板范围增加了集中力而又无法增设附加箍筋或吊筋，此时极有可能导致主 梁下部混凝土撕裂及产生裂缝;⑵新增次梁纵筋植入主梁内深度远小于按充分考虑 抗拉强度的植入深度，故其锚固不足以限制钢筋滑动，不仅会削弱新旧界面的抗剪 能力，还会改变次梁剪力到主梁的传递形式。

主梁作为次梁植筋的基材是否坚实，能否保证在新旧混凝土界面破坏之前不被破坏; 植入钢筋深度不足以限制钢筋滑动必然会影响新旧界面通过粘结力和摩擦力传递剪 力这些问题的存在会对主梁有何影响，是否还能保证主梁的安全可靠;若存在安 全隐患需要采用何种措施才能确保主梁的后续安全使用;这问题都需要详细的探讨 和分析本文以几组主梁梁高不同的模型在其他条件均一致的情况，对主梁裂缝发展、应变 变化、破坏情况进行对比分析，提出采用植筋技术新增混凝土次梁对主梁影响的规 律，并基于此分析结果探讨对主梁的采取有针对性的加强措施1 材料本构关系及有限元模型本文利用MIDAS FEA的非线性模块模拟新增混凝土次梁与主梁交接处节点，并按 实际情况考虑模型中的材料、接触等多种非线性问题，对交接处节点进行弹塑性分 析，通过采用荷载分级控制加载的方式得出各步骤的主梁的应力、应变、塑性发展、 裂缝状态的变化情况，以揭示采用植筋技术新增混凝土梁时对主梁的影响1.1 本构关系假定1.1.1 混凝土本构 梁采用线单元部分仅是为更真实模拟次梁与主梁交接节点的受力，并不需要详细分 析，故梁线单元部分混凝土采用弹性模型次梁与主梁交接节点及一定外扩范围混凝土采用非线性的总应变裂缝模型，总应变裂缝模型属于弥散性裂缝模型，其将所有应变集中处理，操作方便且易理解，故被 广泛用于实际工程。

裂缝方向采用随主应变方向不断改变的转动模型并采用割线 刚度，考虑横向裂缝影响，不考虑约束影响受压裂缝模型采用Thorenfeldt模 型，因Thorenfeldt函数能较好符合劈拉试验的应力-应变关系，在较高压力作用 下压溃，压溃后具有应变软化特性，符合真实混凝土受压特性受拉裂缝模型采用 脆性模型，即主应力达到最大允许值时材料拉坏，抵抗应力变为01.1.2 钢筋本构钢筋非线性模型采用范•梅塞斯模型，其广泛用于金属材料的分析1.1.3 新旧混凝土粘结面本构采用FEA提供的非线性界面模型模拟新旧混凝土粘结面，本文采用膨胀裂缝模型 中的粗糙裂缝模型I粗糙裂缝模型I采用的类似阶梯形状凹凸不平的裂缝面假定， 荷载作用下粘结面出现相对滑移，粘结力逐步丧失致使开裂，此后界面主要以摩擦 力为主，此假定较好符合新旧混凝土面凿毛处理的实际受力情况［1］ 粘结面的法向刚度取10倍的混凝土弹性模量，剪切刚度同混凝土弹性模量;抗压和 抗拉强度同主梁混凝土;最大粗骨料尺寸取凿毛深度;法向破坏模式采用脆性;剪切破 坏模式采用常剪切模量，因粘结面有摩擦力作用使界面切向会保留一定的刚度，数 值取剪切刚度的1/41.1.4 钢筋与混凝土连接⑴ 次梁混凝土采用现浇浇筑，次梁纵筋实体单元与次梁混凝土实体单元的连接采用非线性界面单元模拟钢筋与混凝土间的力学特性，本文采用FEA提供的粘结滑 动本构模型［1］模拟钢筋与混凝土间的粘结滑动，并能考虑受纵横向裂缝的影响。

⑵ 次梁纵筋与主梁采用植筋技术连接，采用胶粘剂连接的钢筋与混凝土间的力学 性能主要表现在胶层与混凝土的粘结滑移，且应考虑胶层和混凝土受力超过粘结力 后出现的剥离滑动现象［4］，剥离后法向刚度将为0，剪切刚度取剥离前的1/4［4］本文采用FEA提供的库伦摩擦本构模型模拟胶层与混凝土之间受摩擦影响 的接触滑动1.2 有限元模型建立 采用植筋技术新增混凝土次梁对主梁影响的分析，采用主梁截面不同的4组模型对比分析主梁和次梁的跨度均取5.0m次梁信息：截面250mmx500mm,混 凝土强度等级C35;上部纵筋作为架立筋取，植入主梁内120mm;下部纵筋-2)/2 , 下排底筋钢筋植入主梁内200mm,上排底筋钢筋不植入主梁内;箍筋8@200(2) 主梁梁底与次梁底的高度差aH分别取次梁底筋直径的2.5倍、5倍、10倍、20 倍主梁信息详表1本文主要是研究新增混凝土次梁与主梁交接处节点的受力分析，故节点附近新增次 梁和主梁采用实体单元，其余部分梁采用梁线单元梁线单元与梁实体单元间采用 刚性连接单元将节点耦合次梁实体单元与主梁实体单元间设置粗糙裂缝模型I的 非线性界面单元表14组模型中的主梁信息截面尺寸mm混凝土等级上部纵筋下部纵筋 腰筋 箍 筋模型 1 250x550 模型 2 250x600 212 模型 3 250x700 412 模型 4 250x900 612 C30 214 325 212 8@200(2) 次梁纵筋植入主梁内，为精确考虑植筋的影响，次梁植入主梁内的上下纵筋采用实 体单元，且钢筋实体单元与混凝土实体单元间设置非线性界面单元，非线性界面单 元选取详本文1.1.4节。

主梁上下纵筋及腰筋和次梁未植入主梁内的纵筋采用只考 虑轴力的桁架单元，钢筋桁架单元的单元划分确保单元节点与混凝土实体单元重合， 以保证钢筋与混凝土协同受力梁箍筋采用植入钢筋形式;植入钢筋用于实体单元 时其用钢筋的刚度值修正母单元的单元刚度，即植入钢筋不占据任何单元，没有自 由度，且与母单元没有相对位移;因箍筋与混凝土间滑移的力学问题对本文研究没 有影响，故箍筋采用植入形式能简化建模，且能满足计算分析要求边界条件：主梁自由端采用固接约束，次梁自由端采用约束竖向和平行于主梁方向 的平动的铰接约束荷载：新旧混凝土界面抗剪承载力，国内外学者和研究机构做过一系列的研究，其 中具有代表性的是中国建筑科学研究院提出的T“v+0.56psvfy[ 1 ]和美国 ACI(318-14)规范中的新旧混凝土结合面摩擦抗剪承载力设计值Vni = pAvffy[5]考虑到在极限荷载下次梁面筋在主梁内会出现较大的滑移，故本文新旧混凝土界面 极限承载力计算中不考虑次梁面筋的作用;新旧混凝土界面极限荷载取两公式计算 结果的较小值，得Vmax=225 kN梁线单元采用梁线荷载输入90 Nmm，梁实 体单元采用压力荷载输入0.36 Nmm2，加载制度采用分级控制加载，加载步级数 为25级，最大迭代次数30次。

单元网格尺寸以50 ~ 100mm为主，钢筋实体单元及附近单元网格加密;新增混凝土次梁与主梁交接处节点有限元模型的网格划分、荷载及边界条件如图1所示 图1 有限元模型2 非线性分析计算结果及分析2.1 最大裂缝-荷载图、最大应变-荷载图 4组模型主梁的最大裂缝-荷载图、最大应变-荷载图分别如图2、图3所示 主梁承受次梁剪力的屈服承载力选取在曲线陡峭段的开始，且裂缝和应变值均较小结合图2、图3及表2可知：⑴4组模型中主梁的极限承载力均小于225 kN，说 明主梁在新旧混凝土界面破坏前已破坏;⑵步骤数在3及之前，即剪力不大于27 kN时，4组模型主梁上裂缝均为0,且应变值极少;⑶梁底越大，主梁屈服和 极限承载力越高;⑷当荷载加载到极限荷载的80% ~85%之前，梁底越大裂缝发展 速度越慢;⑸当荷载加载到极限荷载的80% ~ 85%之后4组模型裂缝发展均非常快， 应变值急速加大，均呈现明显的脆性破坏特征图2最大裂缝-荷载图图3最大应变-荷载图表2 4组模型中的主梁极限承载力和屈服承载力统计屈服承载力kN模型1 12108 7 63模型2 13 117 8 72模型3 19 171 13 117模型4 20 180 16144极限状态对应步骤数极限承载力kN屈服状态对应步骤数2.2 承载力极限状态下主梁的破坏原因4组模型主梁在极限荷载作用下的主应力云图如图4a~图4d所示。

可知：模型1、 模型2在次梁荷载作用下主梁下部混凝土发生呈八字形的撕裂破坏;模型3在次梁 荷载作用下主梁发生撕裂破坏或次梁底筋处混凝土压溃破坏;模型4在次梁荷载作 用下主梁发生次梁底筋处混凝土压溃破坏2.3 原因分析及采取的改进措施次梁底到主梁底的高度的大小是影响主梁受次梁集中力作用下承载力大小的主要因 素，因梁腹板高度范围内的集中荷载对梁的撕裂破坏程度与AH成反比关系 当次梁底到主梁底的高度AH较大时，如模型4，其破坏形式不同于模型1、2、3, 从其裂缝和应变发展曲线可以看出其裂缝发展很缓慢，当达到一定值后裂缝急速增 长直到破坏由图5、图 6 可看出，极限状态下次梁与主梁大部分已脱开，此时次 梁剪力大部分由植入主梁内的钢筋及次梁下部混凝土与主梁的摩擦传递由图 7 可看出，主梁裂缝主要分布在次梁中下部位置及以下，而混凝土被压溃的部分在次 梁底部钢筋附近结合图5、图6、图7 可知，次梁在荷载作用下次梁端部转动致 使次梁支座上端开裂，此时次梁传递给主梁的剪力逐步向下集中，在极限荷载作用 下，次梁传递的剪力大部分集中于次梁下部致使此范围主梁混凝土压溃破坏图 4 极限状态主梁主应力图新增次梁对主梁的破坏形式有：⑴在次梁两侧主梁呈八字形的撕裂破坏;⑵因剪力 集中致使主梁混凝土压溃破坏。

如何提高主梁抵抗这两种可能产生破坏的能力，应 作为采用植筋技术新增混凝土次梁的重点问题解决主梁撕裂破坏问题的关键是如 何将主梁腹板范围的集中力传递到主梁顶部，由于不能再增设附加箍筋本文考虑采 用粘贴钢板箍加固;模型1因过小使其抵抗撕裂破坏能力过低，应对其采取更强 的加强做法解决主梁混凝土压溃破坏问题的关键。